Consequences of cps mutation of Klebsiella pneumoniae on 1,3-propanediol fermentation
- 作者
- Ni-Ni Guo, Zong-Ming Zheng, Yu-Lin Mai, Hong-Juan Liu, De-Hua Liu
- 单位
- Department of Chemical Engineering, Tsinghua University; National Engineering Laboratory for Power Generation Equipment, School of Renewable Energy, North China Electric University; School of Life Sciences, Tsinghua University; Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2009）
- DOI
- 10.1007/s00253-009-2342-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
肺炎克雷伯氏菌在1,3-丙二醇发酵过程中产生大量荚膜多糖（CPS），导致发酵液过滤堵塞，严重影响下游分离纯化，需要构建CPS缺陷突变株以解决该问题。
研究策略
利用自杀载体pCPS通过同源重组敲除肺炎克雷伯氏菌CGMCC 1.6366的cps基因（ORF3/wzi），构建荚膜缺陷突变株，并比较野生型与突变株的形态、发酵性能和过滤通量。
研究路线图
核心内容
本研究通过自杀载体pCPS介导的同源重组，敲除了肺炎克雷伯氏菌CGMCC 1.6366的荚膜多糖合成关键基因cps（ORF3/wzi），成功构建了荚膜缺陷突变株，首次将其应用于1,3-丙二醇发酵。研究比较了野生型与突变株的发酵性能及下游处理特性。结果表明，cps基因失活不影响细胞生长，但使发酵液黏度降低27.45%（从1.78降至1.29 mPa·s），陶瓷膜过滤通量从168.12显著提升至303.6 L h⁻¹ m⁻²。分批发酵中，突变株1,3-丙二醇浓度由9.73 g/L提高至10.37 g/L，产率从0.55 mol/mol升至0.58 mol/mol，碳回收率由85.1%提升至94.94%。补料分批发酵中，突变株1,3-丙二醇浓度、产率和生产力分别达78.13 g/L、0.53 mol/mol和1.95 g/L/h，均优于野生型的67.05 g/L、0.52 mol/mol和1.68 g/L/h。该策略在简化下游分离流程的同时改善了产物合成，为1,3-丙二醇工业化生产提供了有利条件。
创新点
首次将非荚膜肺炎克雷伯氏菌应用于1,3-丙二醇发酵；通过失活cps基因显著提高陶瓷膜过滤通量，简化下游处理流程，同时改善产物合成。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae CGMCC 1.6366 | 甘油歧化途径（1,3-丙二醇生物合成） | cps ORF3 (wzi) | Wzi | 区室化 | 负责荚膜多糖表面组装，敲除后构建荚膜缺陷突变株CGMCC 1.6366 CPS |
关键发现
- 突变株发酵液黏度降低27.45%（从1.78降至1.29 mPa·s）
- 陶瓷膜过滤通量从168.12提高至303.6 L h^-1 m^-2
- 分批发酵中1,3-丙二醇浓度从9.73 g/L提高至10.37 g/L，2,3-丁二醇从4.06 g/L提高至4.77 g/L
- 1,3-丙二醇产率从0.55 mol/mol提高至0.58 mol/mol（碳回收率从85.1%提高至94.94%）
- 补料分批发酵中突变株1,3-丙二醇浓度、产率和生产力分别为78.13 g/L、0.53 mol/mol和1.95 g/L/h，均高于野生型（67.05 g/L、0.52 mol/mol、1.68 g/L/h）。
研究结论
cps基因失活不影响细胞生长，但显著降低发酵液黏度并提高过滤通量，同时增强1,3-丙二醇和2,3-丁二醇的合成，为1,3-丙二醇的工业化生产提供了有利的下游处理优势和良好的发酵性能。